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目前，在研究超材料领域有两个研究方向备受关注。其中一个是利用超材料作为微波组件的感应材料[10-12]，比如感应线圈和天线。另一个研究方向则是将在微波波段的新特性拓展到光波区域并达到应用。相比较微波段所表现的情况，在光波区域，制作这类材料的动力是对纳米技术实现突破，利用较为完善的技术制作出多种的纳米结构[13-19]。
超材料所具有的独特性质在经过理论以及实验的证明后，研究者们对于这一超材料课题的研究有了快速的发展。到目前为止它可以在太赫兹、光波段、微波、毫米波等波段得到展示。
1.3 超材料的传感特性
根据超材料的定义我们可以了解到，超材料所具有的独特的功能及其特性主要取是决于该超材料内部的结构而并非构成它们的材料，所以科学家们一直在不断的探索研究如何设计超材料的内部结构以及通过改变该超材料结构的有效物理尺寸的有序设计，以此来突破某些规律因素的制约从而获得有意义的特殊功能。作为一种新发现的人工复合材料, 超材料具有很多那些天然材料并不具备的超常物理特性, 例如负折射率[20]、负电磁参数[21]、完美透镜[22]等,并且已经广泛应用到化学与生物传感[23]、超材料天线[24]、电磁隐身[25]以及相位调制器[26]等领域。入射光电磁波与所设计的超材料结构相互作用, 便会诱导电子的集体振荡, 并且引起局域电磁场的共振, 从而可以为超材料结构的传感应用提供更好的平台。Driscoll等[27]建议通过在开口环结构单元附近增加材料以至于达到调谐磁共振频率的效果, 从而为实现在太赫兹频段的超敏感传感器件的研究提供了可能.O’Hara等[28]通过利用太赫兹频段时域光谱仪, 完成了电响应共振频率的变化, 为太赫兹频段超敏感传感技术的发展提供了广阔前景.Lahiri 等[29]设计了一种应用在在红外频段的非对称形圆形开口环的谐振腔阵列,由于该结构的谐振腔的两个臂之间存在的不对称性使得该开口环谐振腔阵列产生明显的等离子体共振, 从而增大了传感特性的灵敏度.Cubukcu等[30]发现了一种表面增强分子探测技术, 其设计的开口环谐振腔传感器可以用于基于单分子层的红外检测中.Tao等[31]设计了一种基于太赫兹平面腔超材料结构并且以超薄氮化硅为衬底的开口环谐振腔, 该超材料结构可以应用于生物传感技术中。Withayachumnankul等提出了一种可以应用于太赫兹频段的电介质薄膜传感的平面超材料[32].通过放在太赫兹亚衍射源周围的超材料传感平台, 受激谐振腔的数量会减少, 从而可以显著增大共振的Q因数.程用志等[33]设计了两种环状的微波电共振结构, 并且经过优化模拟获得了最佳的吸收效果.近几年来,基于太赫兹频段的超材料结构在太赫兹与超材料领域引起了科研工作者的极大兴趣等[34,39].如果设计的超材料结构对待测材料有较为明显的电磁响应, 那么我们可以利用这种电磁响应对材料传感.另外，Weili[40,41]课题组已经在该领域做了许多有益的探索.因此，基于以上研究背景, 本文设计了一种金属圆环内嵌星形超材料单元结构, 并通过考察该结构对待测材料参数的响应,验证了改超材料结构在太赫兹频段传感应用的可能性,并进而通过数值模拟来探讨其传感特性.研究了待测样品折射率以及星形半径对超材料结构的传感特性的影响.该超材料传感结构设计简单, 易于加工, 传感灵敏度较高, 所以具有潜在的科研应用价值.
1.4 本文的主要研究工作
自从超材料的超常物理特性从理论和实验上得到验证之后，便受到了广泛关注。而设计基于太赫兹频段的具超敏感传感特性的超材料成为了这一领域的一个重要研究方向。本文设计出了星形的超材料单元结构，它在太赫兹频段，具有敏感的传感特性。